CN101857882A - 一种作物秸秆与畜禽粪便两段式厌氧发酵产沼气的工艺 - Google Patents

一种作物秸秆与畜禽粪便两段式厌氧发酵产沼气的工艺 Download PDF

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马建立
卢学强
邓小文
周滨
陈红
袁雪竹
张良运
焦永杰
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Abstract

本发明涉及一种作物秸秆与畜禽粪便两段式厌氧发酵产沼气的工艺，其特征是包括下列步骤：原料组分及其含量以质量份数计：粒径2-10毫米的作物秸秆1-2份，以干基计的畜禽粪便2-3份，水2-3份；酸化段，温度20-30℃，pH 4.5-6，停留时间48-60小时；酸化段出料加水调节至含固量15％-20％；厌氧发酵段，温度40-50℃，pH 6.8-7.2，停留时间6-8天；出料并分类处理。本发明的有益效果是：提高作物秸秆在厌氧发酵过程中的使用效率，缩短厌氧发酵的反应时间，提高产气速率，充分利用畜禽粪便，促进农村有机废物的资源化利用，控制农村面源污染，改善农村卫生环境。

Description

一种作物秸秆与畜禽粪便两段式厌氧发酵产沼气的工艺
技术领域
本发明涉及农村可再生能源利用及环境保护领域，尤其涉及一种作物秸秆与畜禽粪便两段式厌氧发酵产沼气的工艺。
背景技术
农村作物秸秆和畜禽粪便有机废物的资源化利用可以有效的控制农村面源污染，改善农村卫生环境。厌氧发酵产沼气是我国农村畜禽粪便的传统的资源化利用途径之一。厌氧发酵过程是一个生化过程，由产酸阶段和产甲烷阶段组成。但是目前我国农村大部分的沼气池采用一段式，即将产酸和产甲烷阶段合二为一，在同一反应器中完成。由于产酸阶段的产酸菌和产甲烷阶段的产甲烷菌的特性有较大的差异，产酸菌由厌氧菌，少量的好氧菌和兼性厌氧菌组成，而产甲烷菌是专性厌氧菌，不需要氧，氧对产甲烷菌反而有毒害作用。在同一反应器中无法使产酸菌和产甲烷菌都处于最佳的生理生态环境条件下。特别是在以可生化性较差的农村作物秸秆为主要反应原料时，产酸阶段无法充分的改善作物秸秆的可生化性，从而无法为产甲烷阶段提供适宜的营养供应，因而影响了沼气池的产气效率。
农村作物秸秆是农村地区最充足而又未得到充分利用的可再生资源。对作物秸秆进行厌氧发酵产沼气不仅可以实现可再生资源的充分利用，还能改善农村的能源结构，从而改善农村的卫生环境。作物秸秆主要化学成分由纤维素、半纤维素和木质素组成。但是厌氧发酵产沼气技术主要处理的对象为高含水率的易生物降解的原料，未经过处理的作物秸秆不能在厌氧环境下被微生物降解。只是其分子量分布有从大分子向小分子转化的趋势。因此，以秸秆为主要原料进行厌氧发酵时，如不进行任何处理，厌氧消化会时间长、消化率低，产气量少。
公开号为：“CN101691586”名称为：“一种植物秸秆厌氧发酵高效快速产沼气的方法”的发明专利，为提高产气速率，在粉碎后的植物秸秆中加入水和活性污泥，在密闭的反应器中厌氧发酵生产沼气，并在厌氧发酵前，向反应器中加入固体碱。公开号为：“CN101225003”名称为：“农作物秸秆厌氧发酵处理方法”的发明专利，采用农作物秸秆、畜禽粪便等有机物采用厌氧发酵的方式进行资源化处理的方法，发酵条件为：温度37±2℃，时间16-24天。公开号为：“CN101235349”名称为：“节能型秸秆厌氧发酵预处理装置”的发明专利，利用好氧微生物破坏秸秆中的木质素，提高了厌氧生物转化效率。
以上专利各具特点，但应用于作物秸秆的厌氧发酵产沼气时仍存在一些不足，主要体现在：(1)作物秸秆的接种物不易得到，例如活性污泥，一般需从污水处理厂获取，在农村地区难以得到。而畜禽粪便在农村地区则是量大易得的原料；(2)在秸秆厌氧发酵处理过程中，需要添加化学药剂，例如使用固体碱调节pH值，增加了处理成本。(3)对作物秸秆没有进行预处理，或采用好氧预处理，使作物秸秆厌氧发酵的反应时间较长，产气速率较低。
发明内容
本发明的主要目的在于针对上述问题，提供一种作物秸秆与畜禽粪便两段式厌氧发酵产沼气的工艺，提高作物秸秆在厌氧发酵过程中的使用效率，充分利用农村产生的畜禽粪便，同时缩短厌氧发酵的反应时间，提高厌氧发酵的产气速率，促进农村有机废物的资源化利用，控制农村面源污染，改善农村卫生环境。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种作物秸秆与畜禽粪便两段式厌氧发酵产沼气的工艺，其特征在于包括下列步骤：
(1)配料
原料组分及其含量以质量份数计：粒径2-10毫米的作物秸秆1-2份，以干基计的畜禽粪便2-3份，水2-3份；其中：所述畜禽粪便为猪粪、牛粪、羊粪和鸡粪中的任意两种按1∶1质量比混合的混合物；所述作物秸秆为小麦秸秆、玉米秸秆和高粱秸秆中的任意一种或两种以上以任意质量比的混合物；
(2)备料并混料
按照步骤(1)的要求，制备破碎至粒径2-10毫米的一种作物秸秆或两种以上作物秸秆的混合物、畜禽粪便混合物，并与水按规定比例均匀混合；
(3)酸化段反应
将上述混合物料放进酸化反应器中，在温度为20-30℃，pH值为4.5-6的条件下进行酸化反应，物料停留时间为48-60小时，然后出料；
(4)酸化段出料调节
将上述酸化段出料加水调节至含固量为15％-20％；
(5)厌氧发酵段反应
将上述稀释后的酸化段出料放进密闭的厌氧发酵反应器中，在温度为40-50℃，pH值为6.8-7.2的条件下，停留时间6-8天；
(6)出料
将上述厌氧发酵段生成的沼气引出，混合液物料出料并进行固液分离分类处理。
本发明的有益效果是：采用两段式厌氧发酵产沼气，将产酸菌和产甲烷菌分别置于两个反应段内，为它们提供了最佳的生长和代谢条件，使它们具有最佳的生物活性，缩短厌氧发酵的反应时间，提高厌氧发酵的产气速率，同时提高作物秸秆在厌氧发酵过程中的使用效率，降解率在85％以上，厌氧发酵段中每千克总固体可产沼气80-120升，产气速率为10-15升/千克·天；本发明充分利用农村产生的畜禽粪便，无需添加任何其它化学药剂，成本投入较低，且产生的沼液和沼渣可制成有机肥料实现综合利用；促进了农村有机废物的资源化利用，控制面源污染，改善农村卫生环境。
附图说明
图1是本发明采用的酸化池的主视剖面结构示意图；
图2是本发明采用的厌氧沼气池的主视剖面结构示意图。
以下结合附图和实施例对本发明详细说明。
具体实施方式
实施例1
实验室制作作物秸秆与畜禽粪便两段式厌氧发酵产沼气的工艺，其特征在于包括下列步骤：
(1)配料
玉米秸秆10克，15克干鸡粪，15克干牛粪，水30克；
(2)备料并混料
制备破碎至粒径2毫米的玉米秸秆10克、干鸡粪与干牛粪的混合物30克，并与30克水均匀混合；
(3)酸化段反应
每天将上述70克混合物料加入容积为500毫升的三角瓶中，并在水浴锅中25℃恒温下进行酸化反应，调节pH值在4.6-5.0之间，停留时间为48小时后生成酸化段出料，开始连续出料70克/天；
(4)酸化段出料调节
将上述每天酸化段出料加水调节至含固量为20％；
(5)厌氧发酵段反应
每天将上述稀释后的酸化段出料放入容积为1000毫升的密闭容量瓶中，水浴锅中45℃恒温，pH值为7.0-7.2，停留时间8天。
(6)出料
将上述厌氧发酵段生成的沼气引出，混合液物料出料并进行固液分离分类处理，发酵过程中，定时对厌氧发酵反应容器内反应生成的气体成分和数量及出料进行检测，可得玉米秸秆的降解率为89％，厌氧发酵段中每千克总固体可产沼气120升，产气速率为15升/千克·天，沼气中甲烷含量为68％。
以上降解率采用GB/T 19277-2003《受控堆肥条件下材料最终需氧生物分解和崩解能力的测定采用测定释放的二氧化碳的方法》进行测试。
在实验室中，沼气中甲烷含量采用气象色谱仪测定。
实施例2
在天津市蓟县大巨各庄采用作物秸秆与畜禽粪便两段式厌氧发酵产沼气的工艺处理农村有机废物，厌氧发酵系统由半地上0.48立方米的酸化池(见图1)和地下8立方米的厌氧沼气池(见图2)构成，酸化池及厌氧沼气池均为水泥构筑物。酸化池下部位于地平面14以下，设有进料口11、保温盖板12、出料口13，池壁15为水泥密封保温层，池底部设有砾石层16和排水管17。厌氧沼气池是根据《GB/T4750-2002户用沼气池标准图集》建设，池顶与地平面25平齐，具有密封盖21、进料口22、沼气出口23、出料口24、池体26设置为水泥密封保温层。酸化池及厌氧沼气池均具有良好的保温性能。
采用该系统在不同的物料配比和反应条件下进行了厌氧发酵产沼气操作，具体实施例如下：
实施例2-1
(1)配料
粒径10毫米的玉米秸秆15千克，干猪粪15千克，干羊粪15千克，水45千克
(2)备料并混料
制备破碎至粒径10毫米的玉米秸秆15千克、干猪粪与干羊粪的混合物30千克，并与45千克水均匀混合，按物料投放计量要求，混合物料折合为体积0.15米3；
(3-1)酸化段启动
按上述配料比例，一次性进混合均匀的物料至酸化池体积的4/5处，停留7天，酸化池pH稳定在4.5-6之间，启动过程完成，开始连续进、出料；
(3-2)酸化段反应
将混合均匀的物料以0.15米3/天放进酸化池，酸化段温度在25-30℃，物料停留时间60小时后出料；
(4)酸化段出料调节
酸化段出料0.15米3/天，加水0.5米3调节含固量至17％；
(5-1)厌氧发酵段启动
按上述配料比例，将混合均匀的物料和干牛粪按3∶1的体积比进至厌氧沼气池体积的2/5处，停留7天，连续产沼气，沼气池pH稳定在6.8-7.2之间，启动过程完成，开始连续进、出料；
(5-2)厌氧发酵段反应
将步骤(4)稀释后的酸化段出料放入厌氧沼气池中，0.65米3/天，温度稳定在42-46℃，pH值为6.8-7.2，物料停留8天；
(6)出料
出料量0.65米3/天，将上述厌氧发酵段生成的沼气引出，混合液物料出料并进行固液分离，固体物料可以作固体肥料农田施用，液体物料一部分代替混料环节中的水分，再次进行利用，另一部分作为液态肥施用农田。
厌氧发酵的8天内每天对厌氧发酵反应容器内反应生成的气体成分和数量及出料进行检测，秸秆的降解率平均为87％，产沼气107.2升/千克总固体，产气速率为13.4升/千克·天，沼气中甲烷含量大于65％。
降解率采用GB/T 19277-2003《受控堆肥条件下材料最终需氧生物分解和崩解能力的测定采用测定释放的二氧化碳的方法》进行测试。
现场沼气中甲烷含量测定用在线甲烷检测仪(催化燃烧法)进行。
上述含固量的测试方法采用烘干法，即称量一定重量(w0)的物料样品，于105℃的烘箱中烘干至重量不再发生变化，此时的重量为w1，那么含固量就是w1/w0。
实施例2-2
除以下几项内容外，本实施例的工艺过程的其余内容及测试方法均同实施例2-1：_
配料为粒径9毫米的小麦秸秆和玉米秸秆各15千克，干鸡粪和干牛粪各15千克，水30千克，混合物料折合为体积0.19米3；混合均匀的物料以0.19米3/天向酸化池进料，酸化段温度在25-30℃，物料在酸化池停留时间48小时；酸化段出料0.19米3/天，加水0.4米3调节至含固量约为19％后，进入到厌氧沼气池中；厌氧发酵段温度稳定在40-45℃，物料停留时间7天，出料量0.59米3/天。秸秆的降解率平均为87％，产沼气100.8升/千克总固体，产气速率为12.6升/千克·天，沼气中甲烷含量大于65％。
实施例2-3
除以下几项内容外，本实施例的工艺过程的其余内容及测试方法均同实施例2-1：
配料为粒径6毫米的小麦秸秆15千克，干羊粪15千克，干牛粪30千克，水30千克，混合物料折合为体积0.18米3；混合均匀的物料以0.18米3/天向酸化池进料，酸化段温度在20-25℃，物料在酸化池停留时间50小时；酸化段出料0.18米3/天，加水0.6立方米调节至含固量约为15％后，进入到厌氧沼气池中；厌氧发酵段温度稳定在45-50℃，物料停留时间6天，出料量0.78米3/天。秸秆的降解率平均为85％，产沼气93.6升/千克总固体，产气速率为11.7升/千克·天，沼气中甲烷含量大于65％。
实施例2-4
除以下几项内容外，本实施例的工艺过程的其余内容及测试方法均同实施例2-1：
配料为粒径3毫米的高粱秸秆和玉米秸秆各15千克，干猪粪和干牛粪各15千克，水45千克，混合物料折合体积0.17米3；混合均匀的物料以0.17米3/天向酸化池进料，酸化段温度在22-28℃，物料在酸化池停留时间55小时；酸化段出料0.17米3/天，加水0.7米3调节至含固量约为15％后，进入到厌氧沼气池中；厌氧发酵段温度稳定在45-50℃，物料停留时间6天，出料量0.87米3/天。秸秆的降解率平均为85％，产沼气80.8升/千克总固体，产气速率为10.1升/千克·天，沼气中甲烷含量大于65％。
以上所述，仅是本发明的优选实施例而已，并非对本发明的内容作任何形式上的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (1)

1.一种作物秸秆与畜禽粪便两段式厌氧发酵产沼气的工艺，其特征在于包括下列步骤：
(1)配料
原料组分及其含量以质量份数计：粒径2-10毫米的作物秸秆1-2份，以干基计的畜禽粪便2-3份，水2-3份；其中：所述畜禽粪便为猪粪、牛粪、羊粪和鸡粪中的任意两种按1∶1质量比混合的混合物；所述作物秸秆为小麦秸秆、玉米秸秆和高粱秸秆中的任意一种或两种以上以任意质量比的混合物；
(2)备料并混料
按照步骤(1)的要求，制备破碎至粒径2-10毫米的一种作物秸秆或两种以上作物秸秆的混合物、畜禽粪便混合物，并与水按规定比例均匀混合；
(3)酸化段反应
将上述混合物料放进酸化反应器中，在温度为20-30℃，pH值为4.5-6的条件下进行酸化反应，物料停留时间为48-60小时，然后出料；
(4)酸化段出料调节
将上述酸化段出料加水调节至含固量为15％-20％；
(5)厌氧发酵段反应
将上述稀释后的酸化段出料放进密闭的厌氧发酵反应器中，在温度为40-50℃，pH值为6.8-7.2的条件下，停留时间6-8天；
(6)出料
将上述厌氧发酵段生成的沼气引出，混合液物料出料并进行固液分离分类处理。
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